[논문 리뷰] Double, triple, and $n$-parton scatterings in high-energy proton and nuclear collisions

D. d’Enterria, Alexander Snigirev|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 24.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 양성자-양성자, 양성자-핵, 핵-핵 충돌에서 NLO 또는 NNLO 정확도로 이중(DDPS), 삼중(TPS), 일반적인 n-파트온 산란(NDPS) 단면적을 계산하기 위해 인과적 프레임워크를 개발한다. 주요 기여는 Glauber 접근법을 통해 횡방향 파트온 프로파일에서 효과적 단면적 $\sigma_{\rm eff}$ 를 유도함으로써, LHC 및 FCC 에너지에서 무거운 쿼크, 쿼크로니아, 게이지 보손에 대한 DPS 및 TPS 수확량을 정량적으로 추정할 수 있게 되었으며, A² 및 고차항 A-스케일링으로 인해 핵 충돌에서 상당한 증폭이 발생한다.

ABSTRACT

The framework to compute the cross sections for the production of particles with high mass and/or large transverse momentum in double- (DPS), triple- (TPS), and in general $n$-parton scatterings, from the corresponding single-parton ($\\sigma_{\ m SPS}$) values in high-energy proton-proton, proton-nucleus, and nucleus-nucleus is reviewed. The basic parameter of the factorized $n$-parton scattering ansatz is an effective cross section $\\sigma_{\ m eff}$ encoding all unknowns about the underlying generalized $n$-parton distribution in the proton (nucleon). In its simplest and most economical form, the $\\sigma_{\ m eff}$ parameter can be derived from the transverse parton profile of the colliding protons and/or nucleus, using a Glauber approach. Numerical examples for the cross sections and yields expected for the concurrent DPS or TPS production of heavy-quarks, quarkonia, and/or gauge bosons in proton and nuclear collisions at LHC and Future Circular Collider (FCC) energies are provided. The obtained cross sections are based on perturbative QCD predictions for $\\sigma_{\ m SPS}$ at next-to-leading-order (NLO) or next-to-NLO (NNLO) accuracy including, when needed, nuclear modifications of the corresponding parton densities.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 강입자 충돌에서 n-파트온 산란 단면적을 계산하기 위한 인과적 프레임워크를 개발하는 것.
• LHC 및 미래 원형 충돌기(FCC) 에너지에서 양성자 및 핵 충돌에서 중량 쿼크, 쿼크로니아, 게이지 보손에 대한 DPS 및 TPS 수확량을 추정하는 것.
• 핵 물질의 횡방향 밀도 프로파일을 사용하여 pA 충돌에서 $\sigma_{\rm eff,\textsc{dps}}$ 를 독립적으로 추출하는 것.
• 핵 물질 내 다중파트온 상관관계 및 파트온 밀도 프로파일이 NPS 과정에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 희귀 최종 상태 탐색에서 배경으로서의 DPS 및 TPS의 중요성과 3차원 파트온 구조 탐색의 수단으로서의 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• NPS 단면적은 단일파트온 산란(SPS) 단면적을 $\sigma_{\rm eff}$ 로 스케일링하는 인과적 가정을 사용한다.
• 효과적 단면적 $\sigma_{\rm eff}$ 는 Glauber 접근법을 통해 횡방향 파트온 프로파일에서 유도되며, 알려지지 않은 다중파트온 상관관계를 포함한다.
• 단면적은 일반화된 n-파트온 분포함수(PDF)와 NLO 또는 NNLO 정확도의 양자역학적 파트온 단면적의 콘볼루션을 통해 계산된다.
• pA 및 AA 충돌에서 필요한 경우 파트온 밀도의 핵 수정을 포함한다.
• 영향력 인자 의존성은 핵 겹침 함수를 통해 모델링되며, AA 충돌에서 DPS 단면적은 이를 비례한다.
• 수치적 추정은 LHC 및 FCC 에서 이중 $J/\psi$, $J/\psi\Upsilon$, 동일전하의 W W 생성과 같은 과정에 대해 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 및 FCC 에너지에서 pp, pA, AA 충돌에서 중량 쿼크, 쿼크로니아, 게이지 보손의 동시 DPS 및 TPS 생성에 대한 기대 단면적은 무엇인가?
• RQ2 다중파트온 상관관계를 포함하는 $\sigma_{\rm eff}$ 파rameter는 다양한 충돌 시스템에서 어떻게 변화하며, 횡방향 파트온 프로파일에서 그 기원은 무엇인가?
• RQ3 pA 및 AA 충돌에서 DPS 및 TPS 과정이 pp 측정치에 의존하지 않고 $\sigma_{\rm eff,\textsc{dps}}$ 를 독립적으로 접근할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 AA 충돌에서 같은 핵에서의 파트온 상호작용과 다른 핵에서의 상호작용 기여 비율은 핵 질량수 A에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 초고에너지 宇宙선 상호작용에서 대기핵과의 상호작용에서 TPS 과정의 의미는 무엇인가?

주요 결과

• PbPb 충돌에서, A² 및 고차항 A-스케일링로 인해 DPS 단면적은 pp SPS 단면적에 비해 약 $10^7$ 배 증폭된다.
• 208Pb+208Pb 에서는 DPS 수확량의 2.5%만 한 개의 양성자 내 파트온 상호작용에서 기인하며, 나머지 97.5%는 서로 다른 양성자 간 상호작용에서 기인한다.
• TPS에서, 세 개의 파트온이 세 개의 다른 양성자에서 상호작용하는 기여가 두 개의 양성자에서 일어나는 세 파트온 상호작용보다 약 40,000 배 더 우세하다.
• 중이핵 충돌에서 쿼크로니아 생성의 이벤트별 분석에서는 이중 $J/\psi$ 및 이중 $\Upsilon$ 최종 상태를 명시적으로 고려해야 한다.
• 초고에너지 우주선에서, 삼중 쿼크-쌍 생성에 대한 TPS 단면적은 전체 p-Air 비탄성 단면적과 동일하며, 이는 이러한 모든 충돌이 최소한 세 개의 $c\bar{c}$ 쌍을 다중파트온 상호작용을 통해 생성함을 의미한다.
• 이중 $J/\psi$, $J/\psi\Upsilon$, 동일전하의 W W 생성과 같은 과정는 LHC 및 FCC 루미너스에서 눈에 띄는 단면적과 높은 이벤트 수율을 가지며, 연구에 적합하다.